壓力脈沖波法天然氣管道堵塞檢測研究*

李清平，儲佳偉，姚海元，龐維新，呂 鑫，劉 瑜，宋永臣，趙佳飛

(1.天然氣水合物國家重點實驗室，北京 100027；2.中海石油有限公司北京研究中心，北京 100027；3.大連理工大學 能源與動力學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

隨著環境保護壓力的日漸增大，天然氣在我國一次能源中的占比正逐年升高，隨之快速增長的亦包括天然氣管道里程。據統計，到2020年底，我國天然氣長輸管道長度突破10.4萬km，到2030年將達到20萬km[1]?？紤]到經濟性，從地底或海底開采出的天然氣未完全凈化，常常含有水、凝析油及泥沙等雜質。隨著里程的增長，這些雜質會不斷堆積，最終形成堵塞。另外，在某些特殊環境(如低溫高壓)下，水和天然氣會生成天然氣水合物，造成堵塞?？傊?，各種類型的堵塞對天然氣管道的安全運行危害巨大，嚴重時更有可能造成重大安全事故[2]。因此，如何解決這一問題有重要意義，而堵塞檢測技術是解決這一問題的有效手段。當堵塞物質剛開始累積，未完全堵塞管道時，及時檢測出部分堵塞位置和堵塞程度，可為管道堵塞提供預警，防止管道完全堵塞，影響生產。當管道完全堵塞，快速檢測出堵塞位置能為及時解堵提供便利[3]。

目前，堵塞檢測技術已經有了一定進展。陳寶忠等[4]研究通過應力應變測量來檢測管內的堵塞。當管道內的流體流經截面發生變化的管道時，管內壓力會發生變化，從而導致管壁應變發生變化。測量管壁應變變化能有效檢測出管道堵塞。但這一方法需要在管壁沿線布置大量應變傳感器，且檢測精度有限，因此可行性和經濟性均有待提高。Qu等[5]研究聲波法檢測管道堵塞，這一方法理論上可行，但是聲波信號易受環境噪音等的干擾，如何提高抗干擾能力是急需解決的問題。

近年來，壓力脈沖波法作為1種堵塞檢測方法，因其具有響應時間短、成本低、抗干擾能力強等優點漸漸引起人們的重視[6-8]。Meniconi等[9]進行輸水管道中利用水擊壓力波進行部分堵塞檢測的研究，并得到相應的模擬和實驗結果；Adewumi等[10]提出壓力波在含堵塞的氣體管道中傳播的模型，并通過一系列的數值研究表明該模型的可靠性；Adeleke等[11]對Adewumi提出的數學模型進行改進，考慮黏滯效應，不過這一結果僅通過數值研究得到驗證；張紅兵[12]基于仿真方法，采用壓力波法對清管故障進行檢測，并編制實時監測管線故障軟件，但該軟件僅對單個完全堵塞效果明顯；劉恩斌等[13]使用正壓波對管道堵塞位置進行檢測，實驗僅針對完全堵塞管道。因此，現有研究或基于簡單完全堵塞或采用數值模擬研究，缺乏復雜堵塞條件下的實驗研究，并且由于現場實驗難以開展，而實驗室往往受空間限制，壓力脈沖波在長天然氣管道中的傳播特性(包括衰減及堵塞反射與響應特性等)實驗數據十分匱乏，而這些是進行堵塞檢測不能回避的問題。

為解決這一問題，本文設計并搭建長220 m的壓力波堵塞檢測實驗管路平臺，并進行多種類型的堵塞檢測實驗，包括連續長堵塞實驗和水堵實驗，對實驗結果進行分析，并對壓力脈沖波法天然氣管道堵塞檢測可行性進行評價。

1 實驗系統及實驗方法

1.1 實驗系統

壓力波堵塞檢測實驗管路系統示意如圖1所示。本系統由5個模塊組成，包括注氣模塊、主體管路、部分堵塞模塊、壓力脈沖波產生模塊及數據測量及采集模塊。

圖1 壓力波堵塞檢測實驗管路系統

注氣模塊由氣瓶組、減壓閥、儲氣罐和流量計組成。主管道為不銹鋼材質，管壁厚4 mm，內徑40 mm，管長220 m。部分堵塞模塊采用可更換管段，并根據實驗需要模擬不同類型的堵塞。壓力脈沖波產生模塊核心部件為快速動作電磁閥，設置在管道出口用于產生壓力脈沖波。數據測量及采集模塊由靜態壓力傳感器、2個動態壓力傳感器、高速數據采集卡和工業PC機組成?？拷鞴艿莱隹诘撵o壓傳感器的范圍為0～3 MPa。第1個動壓傳感器D1靠近出口(電磁閥)，第2個傳感器D2與D1的距離為75.95 m，使用的采樣率為10 kHz。

1.2 實驗步驟及方法

在進行實驗前，必須先完成部分堵塞模塊安裝。根據實驗需要選擇堵塞類型、位置和大小。在部分堵塞模塊的適當位置安裝合適的管段，模擬堵塞，將氣體注入管道加壓，檢查管道的密封性。關閉球閥和電磁閥，打開閘閥和減壓閥。當達到實驗壓力時，關閉減壓閥，開啟數據測量與采集單元。設置電磁閥動作時間(通常為20 ms)，打開電磁閥，產生壓力脈沖波，隨后壓力脈沖波沿管道連續傳播，直到振幅衰減到零，實驗完成。更加詳實的實驗系統和實驗步驟可參考文獻[14]。

2 實驗結果與分析

2.1 連續長堵塞

進行不同長度不同壓力下的連續長堵塞檢測實驗,包括堵塞長度為15.70 m、堵塞率為75%(靜態壓力分別為2.0,1.6,1.2，0.8 MPa)及堵塞長度為7.73 m、堵塞率為75%(靜態壓力為2.0 MPa)，連續長堵塞檢測結果(靜態壓力2.0 MPa、長度15.7 m)如圖2所示，不同長度不同靜態壓力下連續長堵塞檢測實驗結果如圖3所示。圖2中，p1為動壓傳感器D1測得的入射波，p2為動壓傳感器D2測得的入射波，p3為堵塞前沿反射信號，p4為堵塞后沿反射信號。由于堵塞前沿的截面積由大變小，故p3為負壓波，而堵塞后沿截面積由小變大，故p4為正壓波。隨后p4會在長為15.7 m的堵塞段內來回反射，直至衰減為0，而p5為其第1輪反射波。p6為D1所測的堵塞前沿反射信號，p7為D1所測的堵塞后沿反射信號。由于D1靠近電磁閥，因此其振幅約為真實反射波的2倍。

圖2 連續長堵塞檢測結果(靜態壓力2.0 MPa、長度15.7 m)

圖3 不同長度不同靜態壓力下連續長堵塞檢測實驗結果

根據p1，p2，p3和p4的時間差，可分別計算得到壓力波傳播速度、堵塞位置及堵塞長度，根據p4的振幅與入射波振幅的比值可計算出堵塞率，不同長度及壓力下連續長堵塞檢測結果如表1所示。詳細計算過程，可參考文獻[14-15]。

由圖3可看出：當堵塞長度不同時，反射波形態差異主要表現在堵塞后沿反射波與前沿反射波間距不同；當靜態壓力不同時，入射波及反射波形態差別不大，主要差別包括：當振幅相同時，靜態壓力越低，壓力波波長越大，這會降低壓力波檢測的分辨率，造成這一現象的原因是先導式電磁閥本質為氣動閥門，當靜態壓力降低時，閥門兩側壓差減小，閥門動作時間增大，產生的脈沖壓力波波長增大。同樣，根據上述計算方法，分別計算不同工況下的堵塞信息，結果如表1所示。從計算結果可以看出，靜態壓力及堵塞長度對堵塞檢測的準確性影響不大。對5組實驗結果計算誤差進行平均：堵塞位置檢測平均誤差為0.23%，堵塞長度檢測平均誤差為0.75%，堵塞率檢測平均誤差為2.67%。

表1 不同長度及壓力下連續長堵塞檢測結果

2.2 水堵檢測

在天然氣開采與輸運過程中，常常會因為開采深度增加或脫水機制失效，造成管道含水率增加，并在低洼處聚集，形成水堵，影響天然氣管道正常輸運和生產。因此判斷管道內是否存在水堵及快速準確檢測水堵位置十分關鍵。對實驗系統部分堵塞模擬模塊進行改造，增加1段長3.26 m的U型彎管，進行水堵實驗。U型彎管示意如圖4所示。通過往U型彎管管道底部注入適量清水，用以模擬天然氣管道中低洼處存在的水堵。

圖4 U型彎管示意

進行2組不同堵塞率的水堵實驗。首先注入1 500 mL的清水，形成長為2.76 m、堵塞率為43.3%的水堵(水堵截面積為544.3 mm2)，管道壓力為2 MPa，水堵實驗結果(堵塞率43.3%)如圖5所示。圖5中，p1為D1所測的入射波，p2為D2所測的入射波，p3為D2所測的水堵反射信號。從圖5中可以看出，水堵堵塞率為43.3%時依然有較為明顯的堵塞反射信號，根據上述堵塞計算理論分別計算水堵位置、長度和堵塞率，結果如表2所示。

圖5 水堵實驗結果(堵塞率43.3%)

表2 水堵檢測計算結果

隨后增加清水，使堵塞率達100%，再加壓至2.0 MPa，水堵實驗結果(堵塞率100%)如圖6所示，p4為水堵堵塞前沿反射信號，p5為堵塞后沿反射信號。可以看出，水堵堵塞率為100%時堵塞反射信號完整規則。仔細觀察發現堵塞前后沿反射信號都有明顯的尾波振蕩，這是壓力波引起了水相振動引起的，通過分析尾波頻率，理論上可判斷出堵塞類型。同樣，根據上述計算理論計算U型彎管內水堵的位置、長度和堵塞率，水堵檢測計算結果如表2所示。從表2可以看出，2組實驗的堵塞定位誤差均較小，分別為0.94%和0.61%。在計算堵塞長度時，當堵塞率較低為43.3%時，因反射信號不規則，尋找后沿反射波到達時間較難，若選用中間位置T5，其計算結果遠大于實際值。當壓力波到達水堵位置后，其劇烈的壓力波動會引起水相振蕩，且壓力波到達氣水界面后會發生多次折射，并與原來的波相互疊加，造成反射信號極其復雜。根據固相堵塞物反射信號規律推測，反射信號的第1個負壓波和第1個正壓波較為接近水堵前后沿反射信號。因此選取T4作為后沿反射波到達時間，并計算得到的水堵長度為3.26 m，誤差為18.12%。造成誤差偏大的原因除了水堵反射信號特點外，還由于水堵的長度較短，小于壓力波波長，從而導致前后沿反射波存在少量疊加。當堵塞率為100%時，反射信號的特征時間清晰，堵塞長度的計算誤差1.09%，與長距離連續性堵塞檢測誤差接近。

圖6 水堵實驗結果(堵塞率100%)

2組實驗的堵塞率誤差分別為74.36%和12.20%。造成誤差偏大的原因包括：計算模型假設壓力波在遇到堵塞物后為全反射。而壓力波在氣水界面會存在折射，消耗壓力波能量。另外，水相在遭受到劇烈壓力波動后，會產生振蕩導致部分壓力波能量轉化為動能，進一步消耗壓力波能量。最后，由于水堵放置在U型彎管內，因此堵塞非全堵時，堵塞截面并非垂直于管徑方向上的單一平面。若想進一步提高水堵檢測的精度，應在現有模型的基礎上進一步優化以使其適用于水堵，以提高檢測精度。

3 結論

1)對于連續長堵塞，堵塞前后沿反射波分別為負壓波和正壓波，且波形清晰規則。根據堵塞前沿反射波與入射波時間差可分別計算出堵塞位置和堵塞段長度；根據堵塞前沿反射波與入射波振幅比值可計算出堵塞率。連續長堵塞檢測中，堵塞位置、堵塞長度和堵塞率的平均檢測誤差分別為0.23%，0.75%和2.67%。

2)水堵實驗中，當堵塞率為43.3%的水堵反射信號清晰但波形不規則，當堵塞率為100%時，反射信號清晰且波形規則。在此基礎上，2組實驗的堵塞位置檢測誤差分別為0.94%和0.61%，堵塞長度檢測誤差分別為18.12%和1.09%，堵塞率檢測誤差分別為74.36%和12.20%。造成堵塞長度及堵塞率檢測誤差較大的原因包括壓力波的連續折射、水的移動和振蕩以及堵塞截面非垂直于管徑方向的理想平面。

3)實驗結果表明，壓力脈沖波法檢測精度高，操作簡單，檢測時間短，成本低以及能適用復雜堵塞工況，具有較好的實用性。使用的計算方法對于規則連續長堵塞有較好檢測精度，對于不規則的復雜堵塞例如水堵等在堵塞長度及堵塞率的檢測精度上有待提高，這是下一步要解決的問題。